Уровни компьютерно-интегрированного производства

ИНТЕГРИРОВАННЫЕ
СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ

Темы лекций:



Уровни компьютерно-интегрированного
производства
Задачи SCADA-систем и их решение в
программных комплексах
Построение АСУ ТП средствами SCADAсистемы WinCC 6.2
ВВЕДЕНИЕ

Темы лабораторных работ:




Организация взаимодействия SCADA-системы с
контроллером.
Разработка мнемосхемы технологического процесса.
Разграничение прав доступа пользователей к
элементам мнемосхемы.
Настройка модулей хранения и отображения
технологических параметров и аварийных сообщений.
ВВЕДЕНИЕ


Контрольная работа:
Контрольная
работа
посвящена
организации взаимодействия SCADAсистемы
с
другими
программами
средствами API ОС либо описанию
самостоятельно
изученных
возможностей
SCADA-системы,
не
рассмотренных в рамках лабораторных
работ. Возможные варианты заданий:
ВВЕДЕНИЕ










1) Открытие файла заданного формата соответствующей программой
в единственном экземпляре.
2) Запуск и принудительное завершение программы через заданный
интервал времени.
3) Поиск в списке задач и принудительное завершение заданной
программы.
4) Сохранение снимка экрана в файле с заданным именем в
указанной папке.
5) Проверка состояния канала связи.
6) Проверка доступности принтера.
7) Построение отчетов средствами WinCC (реферат).
8) Реализация web-доступа к мнемосхеме (реферат)
9) Методы контроля качества данных в WinCC (реферат).
10) Организация многопользовательской разработки средствами
WinCC (реферат).
ВВЕДЕНИЕ

Правила аттестации:

В соответствии с Положением о балльно-рейтинговой системе
оценки
достижений
студентов
Новосибирского
государственного технического университета рейтинг студента
по дисциплине определяется как сумма баллов за работу в
семестре и баллов, полученных в результате итоговой
аттестации. Поскольку по данной дисциплине предусмотрен
экзамен, сумма баллов за работу в семестре составляет 60
баллов, сумма баллов за экзамен – 40. За выполнение учебных
заданий сверх предусмотренных программой дисциплины, либо
их
досрочное
выполнение,
возможно
выставление
дополнительных баллов. Если с учетом дополнительных
баллов студент набрал свыше 80 баллов, итоговая оценка
может быть выставлена без проведения аттестации
(«автомат»).
ВВЕДЕНИЕ


Правила аттестации:
Работа в семестре включает выполнение 4 лабораторных и
контрольной
работы.
Своевременное
(до
следующей
лабораторной работы или до срока, установленного
преподавателем) выполнение и защита лабораторной работы
оценивается в 10 баллов, несвоевременное с отставанием от
учебного графика на 1 занятие – в 5 баллов, с отставанием
более чем на 1 занятие или по окончании зачетной недели – в 0
баллов. Досрочное выполнение и защита лабораторной работы
оцениваются в 15 баллов (5 баллов дополнительно).
Своевременное (до окончания зачетной недели) выполнение и
защита контрольной работы оценивается в 20 баллов,
несвоевременное (по окончании зачетной недели) – в 10
баллов, несвоевременное (после начала сессии) – в 0 баллов.
Досрочное выполнение и защита контрольной работы
оцениваются в 30 баллов (10 баллов дополнительно).
ВВЕДЕНИЕ

Правила аттестации:

Итоговая аттестация представляет собой устный экзамен,
состоящий из двух теоретических вопросов. До экзамена
допускаются студенты, выполнившие и защитившие все
лабораторные и контрольную работы. Максимальная сумма
баллов за экзамен составляет 40 баллов, при этом каждый
вопрос может быть оценен не более, чем в 20 баллов. Ответ на
теоретический вопрос оценивается в 20 баллов при
максимально
полном
и
безошибочном
ответе,
проиллюстрированном примерами, в 10 баллов – при ответе на
основные положения или полном ответе, но без примеров, в 5
баллов – при неполном ответе, содержащим ошибки и не
проиллюстрированном примерами, 0 баллов – при отсутствии
ответа на вопрос.
ВВЕДЕНИЕ



Правила аттестации:
Баллы за итоговую аттестацию соотносятся с
оценками по традиционной четырехбалльной шкале
следующим образом: менее 10 баллов –
«неудовлетворительно»,
от
10
до
20
–
«удовлетворительно», от 20 до 30 – «хорошо»,
свыше 30 – «отлично».
Итоговый рейтинг по дисциплине соотносится с
оценками по традиционной четырехбалльной шкале
следующим образом: менее 50 баллов –
«неудовлетворительно»,
от
50
до
72
–
«удовлетворительно», от 73 до 85 – «хорошо»,
свыше 85 – «отлично».
Уровни компьютерноинтегрированного производства

В автоматизированной системе управления информация
о технологических ситуациях воспринимается набором
датчиков и вводится в устройство управления, которое
по заданному алгоритму управления вырабатывает
управляющие решения.
Уровни компьютерноинтегрированного производства
Совокупность
состояний
технологического оборудования в
некоторый
момент
времени
представляет
собой
технологическую
ситуацию.
Ситуацию распознают по ее
признакам. Для распознавания
множества ситуаций необходимо
сформировать набор признаков
ситуаций. Распознавание ситуаций
в автоматизированной системе
осуществляют
с
помощью
ограниченного набора датчиков.
Уровни компьютерноинтегрированного производства

Автоматизированные системы управления делят на
встроенные
и
распределенные.
Встроенную
автоматизированную систему
(Embedded System)
разрабатывают для оснащения серийно выпускаемых
изделий, таких как станок, манипулятор, автомобиль,
стиральная машина. Она должна повторять одинаковые
циклы
автоматического
управления
механическим
оборудованием объекта. Для таких систем не требуются
перепрограммирование,
модернизация
автоматизированной системы и полный контроль
процесса человеком. Отсюда к ним предъявляют такие
требования, как замкнутость системы и алгоритма
управления.
Уровни компьютерноинтегрированного производства

Разделим встроенные системы на двигательные и
информационные. Двигательная система состоит
из
механических
элементов
с
приводами
перемещений, датчиков, исполнительных устройств
и перепрограммируемого устройства управления.
Датчики
контролируют
состояние
объекта
управления. Их сигналы поступают на вход
устройства управления и перерабатываются по
заданному алгоритму в команды управления
исполнительными
устройствами.
Двигательную
встроенную систему проектируют для работы в
режимах ограниченного или свободного времени.
Уровни компьютерноинтегрированного производства


В режиме ограниченного времени управление
осуществляют
синхронно
с
технологическим
процессом. Такую систему называют строгой.
Например, при управлении процессом резания
нельзя перемещать режущий инструмент быстрее,
чем регламентируют технологические условия.
В режиме свободного времени команды управления
подают в любое время по окончании предыдущей
технологической операции. Такую систему называют
нестрогой. Например, в автоматической стиральной
машине
время
подачи
команд
управления
регламентируется технологией стирки, а время
задания режимов стирки является свободным.
Уровни компьютерноинтегрированного производства


Встроенная информационная автоматизированная
система не имеет приводов перемещений на выходе
устройства управления. Она предназначена для
формирования команд управления немеханическими
элементами,
такими
как
сигнализаторы,
бесконтактные устройства включения и отключения.
Распределенная автоматизированная система
(DCS - Distributed Control System) представляет
собой совокупность автоматизированных систем,
встроенных
в
рассредоточенные
единицы
технологического
оборудования
и
связанных
информационной шиной.
Уровни компьютерноинтегрированного производства

Распределенную
автоматизированную
систему
проектируют
для
конкретного
производства.
Разработчик должен:





переоборудовать
технологическое оборудование для
работы в автоматическом режиме;
согласовать управление распределенными единицами
технологического оборудования в режиме реального
времени;
обеспечить возможность перепрограммирования систем
управления единицами технологического оборудования с
целью выполнения поступившего заказа;
скомпоновать автоматизированную систему из продукции
разных поставщиков;
организовать обмен информацией между уровнями
организации производства и самого производства.
Уровни компьютерноинтегрированного производства

Распределенную
автоматизированную
систему
проектируют
для
конкретного
производства.
Разработчик должен:





переоборудовать
технологическое оборудование для
работы в автоматическом режиме;
согласовать управление распределенными единицами
технологического оборудования в режиме реального
времени;
обеспечить возможность перепрограммирования систем
управления единицами технологического оборудования с
целью выполнения поступившего заказа;
скомпоновать автоматизированную систему из продукции
разных поставщиков;
организовать обмен информацией между уровнями
организации производства и самого производства.
Уровни компьютерноинтегрированного производства


Поскольку единицы технологического оборудования
распределены в пространстве, то встроенные в них
автоматизированные системы находятся на расстоянии и
обмениваются информацией в режиме реального
времени.
Возникает
проблема
взаимодействия
технических средств автоматизации, подключенных к
линии обмена информацией с целью согласованного
управления единицами технологического оборудования.
Разделение потоков информации на поток событий и
поток
данных
позволяет
реализовать
реконфигурируемые производственные системы. В них
все технические средства автоматизации подключены к
общему каналу информационного обмена, а алгоритм
управления оборудованием меняется в зависимости от
событий, происходящих в автоматизированной системе.
Уровни компьютерноинтегрированного производства

Идея компьютерной интеграции заключается во
вводе обмена информацией между системами
производства и управления производством в режиме
реального времени. Для насыщенного рынка
главным становится не столько производство само
по себе, сколько управление производством,
позволяющее опередить конкурентов. По мере
усложнения объектов производства, расширения
производственной программы и ускорения ее
сменяемости
возрастает
роль
управления
производством.
Уровни компьютерноинтегрированного производства

Идея компьютерной интеграции заключается во
вводе обмена информацией между системами
производства и управления производством в режиме
реального времени. Для насыщенного рынка
главным становится не столько производство само
по себе, сколько управление производством,
позволяющее опередить конкурентов. По мере
усложнения объектов производства, расширения
производственной программы и ускорения ее
сменяемости
возрастает
роль
управления
производством.
Уровни компьютерноинтегрированного производства

Комплекс задач управления финансово-хозяйственной
деятельностью
предприятия:
планирования
производства, материально-технического снабжения,
управления финансовыми ресурсами стали обозначать
сначала MRP (Materials Requirement Planning планирование потребностей в материалах), а позднее
MRP II (Manufacturing Resources Planning - управление
ресурсами производства). В начале 90-х годов была
разработана концепция ERP (Enterprise Resources
Planning - управление ресурсами предприятия). Если
задачи MRP II были ориентированы на производство, то
ERP
ориентировано
на
бизнес-процессы
всего
предприятия. Термины MRP II и ERP соответствуют
термину
АСУП
(Автоматизированная
Система
Управления Предприятием).
Уровни компьютерноинтегрированного производства


По Международному стандарту ISO /IEC 238224:1995
системы ERP должны осуществлять
управление, обеспечивающее устойчивую работу
предприятия. Это управление распределением
финансов (Financial Management), управление
персоналом (Human Resources), ведение портфеля
заказов (Customer Orders), организация движения
запасов
(Inventory
Management);
управление
складами (Warehouse Management), своевременные
закупки комплектующих и нового оборудования
(Purchasing), обеспечение продаж продукции (Sales),
сервисное обслуживание продукции (Service),
Уровни компьютерноинтегрированного производства

анализ и прогнозирование динамики реализации
продукции (Forecasting), планирование объемов
выпуска (Master Production Scheduling), расчет
потребности в материалах (Materials Requirement
Planning), оперативное планирование производства
(Finite Scheduling), оперативное управление ходом
производства (Production Activity Control), управление
техническим
обслуживанием
оборудования
(Equipment Maintenance), расчет себестоимости
продукции
(Cost
Accounting),
управление
транспортировкой готовой продукции заказчику
(Transportation).
Уровни компьютерноинтегрированного производства

В начале 90-х годов появилась концепция
компьютерно-интегрированного
производства
(CIM-Computer Integrated Manufacturing). Такое
производство рассматривают как
услугу для
заказчика. Для этого потребовалось изменять
структуру
производства
согласно
изменению
производственной
программы,
контролировать
качество после каждой операции, синхронизировать
потоки материалов и информации в ходе
производства. Появилась возможность сокращения
времени выполнения заказов при заданном уровне
качества и минимальных запасах материалов.
Уровни компьютерноинтегрированного производства

Если в традиционном производстве уровни
управления предприятием и уровни управления
оборудованием были разделены, то в компьютерноинтегрированном производстве их объединили с
помощью обмена информацией в режиме реального
времени.
В
компьютерно-интегрированном
производстве
выделяют
организационную,
технологическую
и информационную стороны
управления.
Организационное
управление
обеспечивает согласование работы подразделений
производства и выработку общей стратегии
производства, зависящей от ситуации на рынке.
Технологическое
управление
направлено
на
выполнение задания подразделением.
Уровни компьютерноинтегрированного производства


Цель информационного управления – решение
задач сбора, накопления и передачи информации
между уровнями компьютерно-интегрированного
производства.
В
зависимости
от
функций
управления
автоматизированная
система
компьютерноинтегрированного
предприятия
имеет
пять
иерархических уровней: I/O, Control, SCADA, MES,
MRPII.
Уровни компьютерноинтегрированного производства
Уровни компьютерноинтегрированного производства

На
уровне
связи
автоматизированной
системы
с
оборудованием I/O (Input/Output - Вход/Выход) осуществляется
согласование десятков распределенных на технологическом
оборудовании датчиков и исполнительных устройств с входами
и выходами микропроцессорного устройства управления. В
разнообразных модулях ввода-вывода, подключаемых к
устройству управления, решаются задачи гальванической
развязки, защиты от «дребезга контактов», восстановления
прямоугольной формы цифровых импульсов, приведения
разных выходных сигналов датчиков к виду сигналов внутри
устройства
управления,
преобразования
маломощных
выходных сигналов устройства управления в команды
управления
исполнительными
устройствами,
аналогоцифрового и цифро-аналогового преобразования, разделения
взрывоопасной и взрывобезопасной зон, защиты от бросков
напряжения. Задача проектировщика заключается в выборе
модулей ввода-вывода для условий конкретного производства.
Уровни компьютерноинтегрированного производства


На уровне Control (Управление) устройства управления в
соответствии
с
сигналами
датчиков
состояния
технологического процесса и записанной программой
вырабатывают команды управления исполнительными
устройствами. Эти команды проходят через уровень I/O
на приводы единиц технологического оборудования.
Задача проектировщика заключается в формировании
алгоритмов управления технологическим оборудованием.
Уровней
I/O и Control достаточно для управления
технологическим оборудованием.
Уровни компьютерноинтегрированного производства

Одновременно
с
развитием
автоматизации
собственно
производства
развивалась
автоматизация уровней организации производства.
На этих уровнях решались задачи формирования
производственной
программы,
распределения
заданий
по
участкам
производства,
учета
материалов и продукции, оценки прибыли от
производства. По мере развития автоматизации
уровень
управления
технологическим
оборудованием и уровень организации производства
стали приближаться друг к другу.
Уровни компьютерноинтегрированного производства

Появился уровень обобщенного контроля и приобретения
данных SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition).
Сигналы датчиков состояния единиц оборудования стали
использовать, не только для управления единицами
оборудования, но и для показа хода производства на
мнемосхеме технологического оборудования. По мере
развития системы SCADA стали сохранять информацию
об изменении показателей работы, приобретать
необходимые для организации производства данные,
распознавать предаварийные ситуации, вырабатывать
подсказки диспетчеру.
Уровни компьютерноинтегрированного производства

В системах SCADA, содержащих компонент
SoftLogic, диспетчер может перепрограммировать
удаленные от него средства автоматизации.
Контроль хода технологического процесса с
помощью систем SCADA позволил начительно
улучшить качество производства.
Уровни компьютерноинтегрированного производства

На уровне управления ресурсами производства
MRPII (Manufacturing Resources Planning) менеджеры
отслеживают динамику продаж и уровней прибыли
по разным видам продукции, ведут конкурентную
разведку, прогнозируют спрос на продукцию с учетом
политики конкурентов. На основе этой информации
они анализируют возможности предприятия по
выпуску новой продукции и формируют программу
производства, исключая малоприбыльные изделия и
увеличивая выпуск более прибыльных изделий.
Уровни компьютерноинтегрированного производства

Здесь
же
планируют
поставки
сырья
и
комплектующих, составляют
план технического
обслуживания и замены оборудования, решают
задачи управления финансами, организуют оборот
документации.
Цель
работы
организаторов
производства – повышение прибыли предприятия
путем поиска путей повышения эффективности
производства.
Уровни компьютерноинтегрированного производства


Долгое время уровни управления производством I/O,
Control, SCADA и уровень управления ресурсами
производства MRPII развивались независимо друг от
друга. Это не позволяло быстро приспосабливаться к
рыночным изменениям, выявлять резервы повышения
производительности
и
снижения
себестоимости,
изменять номенклатуру выпускаемой продукции.
Необходимость выживания предприятия в конкурентной
борьбе привела к появлению между уровнями
диспетчеризации SCADA и управления ресурсами MRPII
еще одного уровня – системы исполнения производства
MES (Manufacturing Execution System), обеспечивающего:
Уровни компьютерноинтегрированного производства






адаптацию производства к непредвиденным ситуациям,
таким как поступление срочного заказа или отказы
единиц оборудования;
регистрацию
времени
реальной
работы
единиц
оборудования;
снабжение
рабочих
мест
материалами
и
комплектующими;
транспортирование готовой продукции;
учет расхода материалов и комплектующих;
распределение персонала по рабочим местам и учет
рабочего времени;
Уровни компьютерноинтегрированного производства





анализ текущего выполнения задания и степени
использования оборудования;
обеспечение заданного качества продукции;
своевременное
распознавание
отклонений
от
нормального хода производства.
Все эти задачи относятся к тактическому управлению
технологическим оборудованием в течение смены.
Таким образом, каждый из уровней компьютерноинтегрированного
производства
выполняет
собственные функции:
Уровни компьютерноинтегрированного производства
Уровень Цель
I/O
Согласование
сигналов датчиков с входами
устройства
управления, а
вырабатываемых команд - с
исполнительными
устройствами
Функции Инфор- Время
мация
Гальваноразвязка,
нормализация, восстановление формы,
защита от
дребезга,
АЦП/ЦАП
Сигналы
Непрерыв
датчиков, -ное
выходные
сигналы
устройства
управления
Уровни компьютерноинтегрированного производства
Уровень Цель
Функции Инфор- Время
мация
Control Управление
Реализация
алгоритмов
управления
единицами
оборудования
ТехноСекунды
логические ситуации,
распознаваем
ые датчиками
Уровни компьютерноинтегрированного производства
Уровень Цель
SCADA
Контроль
хода
производства
Функции
Инфор- Время
мация
Визуализация, архивирование,
распознава
ние
предаварийных
ситуаций,
подсказки
оператору
Показа- Минуты
тели
работы
единиц
оборудо
вания
Уровни компьютерноинтегрированного производства
Уровень Цель
MES
Обеспечение бесперебойной
работы
Функции
Инфор- Время
мация
Отслеживание
хода
производства
Состоя- Часы
ние единиц оборудован
ия, составляю
щие себестоимости
Уровни компьютерноинтегрированного производства
Уровень Цель
MRPII
Функции
Увеличе- Стратегиние при- ческое
плабыли
нирование
производства
и
поставок
Информация
Время
Производи Недели
тельность, и
динамика месяцы
продаж,
политика
конкурентов
Результаты компьютерной
интеграции

Благодаря компьютерной интеграции уровней управления
автоматизированные производства стали приобретать
свойства гибкости, открытости и прозрачности.
Гибкостью называют способность производственной
системы переходить в пределах своих технологических
возможностей из одного состояния в другое с целью
выполнения изменившегося заказа. В современном
производстве гибкость обеспечивается путем замены
специализированного
оборудования
на
многофункциональное оборудование с программным
управлением.
Результаты компьютерной
интеграции

Понятие гибкости производства имеет несколько
аспектов:

машинный - возможность переналадки установленных
единиц технологического оборудования для выполнения
поступившего заказа;
технологический - способность изменять способы
изготовления объекта производства;
структурный
расширение
возможностей
технологической
линии путем замены единиц
оборудования;


Результаты компьютерной
интеграции





производственный - способность продолжать работу при
случайном
отказе
единицы
технологического
оборудования;
маршрутный
возможность
изменения
последовательности операций;
гибкость по продукту - способность перехода к
выполнению поступившего заказа без изменения
технологической линии;
гибкость по объему - способность изменять объемы
выпуска продукции;
гибкость по номенклатуре - способность изменять
программу выпуска продукции.
Результаты компьютерной
интеграции




По степени гибкости производственная система
может быть:
жесткой, например, роторная линия для выпуска
одинаковых изделий;
перенастраиваемой,
например,
линия
специализированных станков, выстроенная согласно
последовательности технологического процесса;
переналаживаемой, с переходом в новое состояние
после остановки и переделки оборудования,
например,
линия
универсальных
машин
с
переналаживаемой оснасткой;
Результаты компьютерной
интеграции


гибкой, например, группа перепрограммируемых из
центра единиц технологического оборудования с
транспортными роботами;
реконфигурируемой, в которой программным путем
изменяют взаимодействие технических
средств
автоматизации, подключенных к информационной
шине.
Результаты компьютерной
интеграции

Открытостью называют возможность применения в
одной автоматизированной системе аппаратных и
программных средств, выпускаемых разными фирмами.
Для
согласования
их
работы
Международная
электротехническая комиссия (IEC) разрабатывает
стандарты
подключения
технических
средств
к
промышленным
шинам,
протоколов
обмена
информацией, программирования управляющих систем,
выходных сигналов датчиков и входных сигналов
исполнительных устройств. Проектировщик должен
компоновать систему из средств, соответствующих
международным стандартам.
Результаты компьютерной
интеграции


Прозрачность – это возможность получения
информации в режиме реального времени с любого
уровня автоматизированной системы о работе
любого элемента автоматизированного предприятия.
Прозрачность
обеспечивается
благодаря
соединению разных уровней автоматизированной
системы информационными шинами с выходом в
Интернет.